第15章--多元复合地基法

地基处理GroundTreatment重庆交通大学河海学院吴文雪第15章多元复合地基法Chapter15Multi-elementCompositeFoundation回顾与复习（Review）复合地基的定义：是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体（天然地基土体或被改良的天然地基土体）和增强体两部分组成的人工地基。复合地基较天然地基的承载力提高，沉降减小。复合地基分类复合地基根据地基中增强体的方向可分为竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地基两类。竖向增强体复合地基又称为桩体复合地基。竖向增强体复合地基根据增强体性质又可分为散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。本章要学习的内容MainContentsinThisChapter一、概述二、多元复合地基的定义及分类三、多桩型复合地基法四、双向增强体复合地基法15.1概述鉴于水平向增强体、竖向增强体复合地基中的三种类型桩（即散体材料桩、柔性桩和刚性桩）的承载能力和变形特性不同，且由于每种地基处理方法都不是万能的，每种地基处理方法都有其适用范围和优缺点，可将水平向增强体、或竖向增强体中的三种类型桩中的两种甚至三种桩综合应用于加固软土地基，形成多元复合地基，以充分发挥水平向增强体以及各桩型的优势，大幅度地提高地基承载力，减小地基沉降，从而取得良好的技术效果和经济效益。15.2多元复合地基的定义及分类15.2DefinitionandClassificationofMulti-elementCompositeFoundation一、定义多元复合地基是指由水平向增强体、竖向增强体中的刚性桩、柔性桩、散体材料桩中的两种或两种以上的增强体，采取不同的组合方式对天然地基加固所形成的复合地基。二、分类主要分为三大类：（1)多桩型复合地基（2)双向单桩型复合地基（3)双向多桩型复合地基在多桩型复合地基中，可将桩身强度较高的桩称为主桩，将强度较低的桩称为次桩。可将多桩型复合地基分为两类：在第一类多桩型复合地基中，主桩作用为主，次桩为辅；在第二类多桩型复合地基中，主桩的数量较少，仅布置在节点或荷载较大处，其主要目的是减小沉降，地基承载力提高主要依靠次桩的置换作用。三、多桩型复合地基双向增强体复合地基由水平向的增强体和竖向的增强体与天然地基土体共同组成。在双向增强体复合地基中，如果竖向的增强体只有一种桩型，那么可称之为双向单桩型复合地基(见图15-2)；如果竖向的增强体有两种或两种以上的桩型，那么可以称之为双向多桩型复合地基（见图15-3）。四、双向增强体复合地基多桩型复合地基（Multi-PileCompositeFoundation)双向单桩型复合地基双向多桩型复合地基15.3.1多桩型复合地基承载力的计算1.第一类多桩型复合地基承载力计算15.3多桩型复合地基法15.3BearingCapacityofMulti-pileCompositeFoundationg'1p1e/mAA'2p2e/mAA''sep1p2AAAA复合地基承载力由三部分组成（1）当次桩为强度较高的柔性桩（例如深层搅拌水泥土桩）时，采用下式计算复合地基承载力a1a2spk12212skp1p2(1)RRfmmmmfAA（2）当次桩为强度较低的柔性桩（例如石灰桩、灰土挤密桩等）或散体材料桩（例如碎石桩）时，采用下式计算复合地基承载力a1a2spk12212skp1p2(1)RRfmmmmfAAa1spk122pk212skp1(1)RfmmfmmfA2.第二类多桩型复合地基承载力计算对于第二类多桩型复合地基，主桩的数量较少，仅布置在节点或荷载较大处，其主要目的是减小沉降，地基承载力提高主要依靠次桩的置换作用。在实际工程中，可按两种情形考虑：第一种情形考虑主桩分担一定的荷载，根据桩的类型及地质条件采用经验参数法计算单桩承载力，扣除主桩承受的荷载后，剩余荷载由次桩形成的复合地基承担。第二种情形将主桩的承载作用作为安全储备，仅考虑次桩形成的复合地基承担上部结构荷载，此种情形即由两桩型复合地基退化为普通的单一桩型复合地基。复合地基承载力按通常单一桩型复合地基的承载力计算公式计算。15.3.2多桩型复合地基沉降计算1.第一类多桩型复合地基沉降计算方法(1)第一种情形（主桩与次桩桩长相等）s=s1+s2加固区土层压缩量s1可采用复合模量法计算。复合压缩模量Ecs通过面积加权法计算，也可通过试验确定。Ecs=m1Ep1+m2Ep2+(1-m1-m2)Es加固区下卧土层压缩量s2可采用分层总和法计算。其次讨论复合地基加固区下卧土层压缩量s2的计算方法。由于在第一类多桩型复合地基中，主桩的置换率较大，主桩起主要的置换作用，而且由于主桩较长，建议宜采用实体基础法计算作用在下卧土层上的附加应力，采用分层总和法计算下卧土层压缩量s2。2.第二类多桩型复合地基沉降计算方法在第二类多桩型复合地基中，由于主桩的置换率很小，主桩的置换作用较小，绝大部分荷载由次桩及桩间土承担，而主桩仅布置在节点或荷载较大处，因此第二类多桩型复合地基的沉降计算方法与第一类多桩型复合地基的沉降计算方法有较大区别，下面建议两种计算方法。第一种计算方法：采用复合模量法计算加固区土层的压缩量s1，采用改进的Geddes法计算下卧土层的压缩量s2。第二种计算方法为工程中的实用简化计算方法，即将总荷载扣除桩体承受的荷载后的剩余荷载作用在复合地基加固区上，其加固区土层和下卧层土层上的附加应力计算方法与天然地基中应力计算方法相同。1多桩型复合地基中的单桩检测对于多桩型复合地基中的单桩桩身质量，可依照各类桩的检测办法分别进行检测，例如，刚性桩可采用低应变动力检测法检测桩身完整性，深层搅拌水泥土桩可采用轻便动力触探或抽芯检测，石灰桩可采用静力触探或轻便动力触探检测桩身强度和成桩质量，碎石桩可采用重型动力触探检测成桩质量。15.3.3多桩型复合地基检测方法15.3.3VerificationTestofMulti-pileCompositeFoundation2多桩型复合地基承载力检测方法（直接法）(1)规范方法对于一般的复合地基加固效果检测，《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002规定采用复合地基静载荷试验，若为单桩复合地基静载荷试验，压板可采用圆形或方形，面积为单根桩承担的处理面积。多桩复合地基载荷试验的压板可采用方形或矩形，其尺寸按实际桩数所承担的处理面积确定。采用矩形压板，是否合适？12001500CFG桩深层搅拌桩采用异性压板，是否合适？12001500CFG桩深层搅拌桩(2)平行四边形压板法建议对于工程中有时采用矩形或方形压板难以准确合理地检测多桩型复合地基承载力时，在多桩型复合地基静载荷试验中可采用平行四边形压板。平行四边形压板15001200CFG桩深层搅拌桩采用平行四边形压板时，应注意以下事项：（1）当按相对变形s/b取值时，b应取平行四边形较短的一个高；或取与平行四边形面积相等的正边形的边长；（2）平行四边形相邻边边长及平行四边形相邻内角之差不宜过大，否则平行四边形的两锐角处容易产生应力集中而使土体过早产生挤出破坏；（3）由于板的平面尺寸比相同面积的方形板大，因此压板应具有较高的刚度。3多桩型复合地基承载力检测（间接法）所谓间接法就是分别对主桩或次桩进行单桩或复合地基静载荷试验，然后利用多桩型复合地基的承载力计算公式计算出多桩型复合地基的承载力。工程实例一:深层搅拌桩与石灰桩联合加固杂填土（该项目完成于1994年）工程实例二:钻孔压灌混凝土桩与水泥粉喷桩联合加固深厚软土（该项目完成于2000年）15.3.4多桩型复合地基法的工程实践15.3.4CaseHistoriesofMulti-pileCompositeFoundation15.4双向增强体复合地基双向增强体复合地基法近些年来在工程中开始逐渐得到应用。但是，由于目前这种新型的复合地基的作用机理尚不十分清楚，既没有现成的设计理论和设计方法，也没有成熟的施工工艺和控制措施，更缺乏施工质量的检验验收标准，没有形成技术规范和设计指南。也就是说，目前双向增强体复合地基的理论研究远远落后于其工程实践。虽然目前的工程应用停留在边摸索边总结的经验状态，但是，其有限的应用却显示出非常好的技术效果和经济效益，具有开展进一步深入研究和扩大应用范围的重要价值。15.4.1双向增强体复合地基所谓双向增强体复合地基就是对天然地基的下部采用竖向增强体（包括刚性桩、柔性桩和散体材料桩等）加固，而上部采用水平向增强体加固，竖向增强体、水平向增强体与天然地基共同作用所形成的人工地基。该类复合地基可发挥水平向增强体和竖向增强体的各自的优势，共同有效地承担上部荷载，大大减小地基变形。双向增强体复合地基法也称为桩网复合地基法和桩承式加筋复合垫层法。15.4.2双向增强体复合地基形成的背景双向增强体复合地基法是在单一增强体复合地基存在一些不足的背景下产生的。（1）水平向增强体(土工合成材料、金属材料格栅等)不足之处：①不方便在较深的土层下施工，难以用于基坑特别是深基坑支护；②不能充分调动下部土的承载潜力；③应用于软土地基处理时，所需沉降变形时间往往较长，不利于加快工程进度。（2）单一的竖直向增强体(通常称为桩体)不足之处：①没有加筋、过滤、防渗功能；②在高边坡情况下往往要设专用抗滑斜桩，难以施工；③有时因特殊情况需要，仍嫌其沉降变形达到稳定的时间过长；④受到柔性荷载或者基础刚度不大时，竖向增强体的承载力难以充分发挥，导致承载力难以得到大幅度提高，沉降也较大。15.4.3双向增强体复合地基的优点双向增强体复合地基综合了水平向增强体和竖向增强体的优势，可以克服上述单一增强体复合地基的不足之处，通过不同增强体的合理组合，获得较高的承载力，并大大减少沉降。双向增强体复合地基具有以下优点。(1)双向增强体复合地基具有桩体、垫层、排水、挤密、加筋、防护等综合效能。(2)竖向增强体复合地基法比较容易实现在天然软土地基上快速填筑稳定的高路堤或堤坝。(3)当竖向增强体按照稀疏间距布置时，采用减沉桩理论进行设计和施工，可大幅度降低工程建设成本。(4)沉降较小且完成时间较短，工后沉降较易控制，可缩短工期，相对加快工程进度。(5)不需采用预压来先期完成沉降，施工方便。15.4.4双向增强体复合地基法的应用范围由于双向增强体复合地基法这一新技术在控制沉降和不均匀沉降有着具大的技术优势，且经济效益显著，目前，逐步开始在国内得到应用，主要应用范围集中在以下这些方面：(l)大面积堆载场地的地基处理；(2)路堤软土地基处理，比如高速公路和高速铁路路基处理；(3)软土地基上新老路堤接合部的处理，以防止不均匀沉降；(4)高层建筑物地基软弱下卧层处理；(5)桥台过渡段地基处理，比如处理“桥头跳车”现象；(6)其他工程应用，例如持力层为斜坡的桩基础，以防止地基侧向失稳。15.4.5双向增强体复合地基的发展1993年，南(宁)一昆(明)铁路线永丰营车站的软土地基处理采用了粉喷桩结合土工格栅这一桩承加筋土复合地基；1998年，江苏省泰州市首次利用“土工编织布(geotextile)加筋垫层+水泥粉喷搅拌桩”的复合地基方案，修复处理泰州市引江河嘶马码头下的软土地基；国内发展：2001年，铁道部科学研究院深圳分院采用了桩网复合地基处理不同处理技术路段的接合段来控制沉降和差异沉降；2007年，在宁波钢铁厂轧钢车间采用了素混凝土桩+水泥搅拌桩形成的两种竖向增强体同双层土工格栅形成的双向增强体复合地基进行地基处理；15.4.6双向增强体复合地基的设计1.水平向土工格栅加筋垫层的设计双向增强体复合地基中土工格栅加筋垫层的设计主要是针对引起土工格栅张拉力的几种形式进行考虑，包括因竖向应力和侧向滑移导致的张拉力，满足在工作条件下的张拉力要求。为了评价土工格栅加筋体支撑竖向压力的能力大小，可采用应力折减比SSR这